供热锅炉系统热力学分析

供热锅炉系统热力学分析
陈翀;林婵;陈蒙;李康;相虎昌;张庆伟
【摘要】随着国家对大气环境认识越来越深刻,对供热锅炉排放要求也就越来越严格.在这样的时代背景下,论文研究对象为燃煤及燃气供热锅炉,主要基于热力学第一、第二定律的火用分析,从有用能损失或对环境而言可利用能量的传递等角度,分析供
热锅炉的特性,并得出一系列结论.对不同类型锅炉,包含燃煤热水、燃煤蒸汽、燃气热水及燃气蒸汽锅炉,对锅炉系统进行整体黑箱式建模,利用外部数据进行火用平衡
计算,得出过程的火用效率,并对比分析得出结论.
【期刊名称】《机电产品开发与创新》
【年(卷),期】2019(032)002
【总页数】3页(P39-41)
【关键词】燃煤锅炉;燃气锅炉;火用;火用效率;火用流图
【作者】陈翀;林婵;陈蒙;李康;相虎昌;张庆伟
【作者单位】中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300074;中国市政工
程华北设计研究总院有限公司,天津 300074;中国市政工程华北设计研究总院有限
公司,天津 300074;中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300074;中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300074;中国市政工程华北设计研究总院
有限公司,天津 300074
【正文语种】中文
【中图分类】TK123
0 引言
随着国家对大气环境认识越来越深刻，对供热锅炉排放要求也就越来越严格，提高锅炉的热效率，对节能减排，提高能源利用率有着非常大的意义。

本文针对不同类型锅炉，包含燃煤热水、燃煤蒸汽、燃气热水及燃气蒸汽锅炉，进行热力学分析及比较，进而得出普遍情况下不同类型（燃料、介质两方面）供热锅炉的热效率差异，以对供热系统的设备选型、系统热效率的提高有所帮助。

1 热力学原理[1]
1.1 的概念
可以表述为：在除环境外无其它热源的条件下，当系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状态时，能够最大限度转换为有用功的那部分能量称之为。

所谓与环境相平衡是指与环境达到热平衡、机械平衡和化学平衡，即与环境的温度、压力相等而且与环境的成分相同的状态。

通常取大气、地表和海水条件作为环境状态。

是一种能量，具有能的量纲和属性，与相反，凡一切不能转换为的能量称为火无。

由此则可以把各种能量看作是由与火无所组成，即：
1.2 效率
1.2.1 效率的概念
在系统或设备进行过程中，被利用或收益的Egain与支出或耗费的Epay的比值定义为该系统火设备的效率，用ηe表示：
根据热力学第二定律，任何不可逆过程都要引起的损失，但是系统或过程必须遵守平衡的原则，所以耗费与收益之差即为系统或设备中进行的不可逆过程所引起的损
失：
由此，效率可以写成：
式中：。

因此，效率是利用份额；损失系数是损失份额。

1.2.2 效率的意义[1]
（1）根据热力学第二定律，任何系统或过程的效率不可能大于1。

对于理想的可
逆过程，由于损失等于零，故效率等于1，即ηe=1（可逆过程）。

对于不可逆过程ηe＜1（不可逆过程）。

可逆过程是热力学上最完善的过程，所以效率反映了
实际过程接近理想可逆过程的程度，表明了过程的热力学完善程度，或的利用程度。

效率与1偏离的程度越大，说明损失越大，过程的不可逆性越大，所以效率的大
小指明了改善过程热力学完善程度的可能性，可以指导人们采用合适的过程或改进设备等措施以减少过程中的损失，提高的利用程度。

效率反映的利用程度，它从能量的质或级位来评价一个设备或热力过程的完善程度，所以它是评价各种实际过程热力学完善度的统一标准或统一尺度。

这是应用概念所具有的特殊意义。

（2）稳定流动（开口）系统可使用效率来表达在热力系统或热工设备中的利用程度，或系统中进行热力过程的热力学完善程度[3]。

2 燃煤及燃气锅炉理论分析
2.1 流图
图1 锅炉系统能流示意图Fig.1 Schematic diagram of boiler system energy flow
2.2 热力学第一定律分析[6，7]
列锅炉质量守恒：
列锅炉能量平衡关系式：
锅炉制热水热效率（不考虑余热利用）：
2.3 热力学第二定律（分析）[6，7]
图1为锅炉平衡示意图。

锅炉的平衡式为：
锅炉的效率：
上式中，若选取空气进入锅炉时的温度为环境温度，则上式变为：
式中：B—燃料消耗量（kg/s）；D—给水及供水流量（kg/s）；Ma—空气质量流量（kg/s）；Mpy—烟气质量流量（kg/s）；Er—燃料的比（kJ/kg）；egw、egs—供水比、给水比（kJ/kg）；ea、epy—空气比、烟气比（kJ/kg）；El—锅炉损失（kJ/kg）。

3 燃煤及燃气锅炉实例分析
3.1 燃煤及燃气锅炉实例数据
为研究不同类型锅炉在不同吨位情况下的热效率及分析，计算消耗及获得，从而计算得实际锅炉的效率[5]。

3.2 燃煤及燃气锅炉计算分析
利用第三章基础理论及《锅炉房实用设计手册》（第二版）的原始数据进行计算分析，可以得出不同锅炉类型的消耗、获得及效率。

从以上的计算分析可知，燃煤热水锅炉整体效率低于蒸汽锅炉，这是因为蒸汽温度一般高于热水，导致不可逆性降低。

40t/h蒸汽锅炉效率急剧增高的原因是蒸汽参数较高，为2.45MPa，400℃。

并且效率随着吨位增加逐渐升高。

燃气热水锅炉整体效率低于蒸汽锅炉，效率随着锅炉吨位增加逐渐升高，需特别指出，效率一般与出口参数变化有关。

由图2可知，燃气热水锅炉整体效率高于燃煤热水锅炉，主要原因就是燃气锅炉
的热效率高于燃煤锅炉，从而导致在燃烧同等热量的燃料情况下，燃气锅炉生成物的量大于燃煤锅炉。

图2 燃煤及燃气热水锅炉效率对比分析图Fig.2 Contrastive analysis diagram of raw efficiency of coalfired and gas-fired hot water boilers
由图3可知，燃气锅炉的效率并不一定全部大于燃煤锅炉，还取决于生成物品质（产出蒸汽的焓值）[2，4]。

在生成物品质参数相近的前提下，燃气蒸汽锅炉整体效率高于燃煤蒸汽锅炉。

图3 燃煤及燃气蒸汽锅炉效率对比分析图Fig.3 Contrastive analysis diagram of raw efficiency of coalfired and gas-fired steam boilers
4 结论
通过对一系列燃煤及燃气锅炉数据对比分析，我们通过效率数据可以得出以下结论：在吨位相同，生成物品质相近情况下，燃气热水锅炉效率一般高于燃煤热水锅炉，燃气蒸汽锅炉效率一般高于燃煤蒸汽锅炉；在吨位相同情况下，蒸汽锅炉效率高于同燃料热水锅炉的效率；效率不仅取决于热效率（物质的量），同时也取决于生
成物的品质（物质的质）；大致清楚各类型锅炉的效率一般处于0.25～0.5，低于热效率很多。

最后通过计算烟气总值，并对比分析燃煤燃气锅炉测试结果，可以发现燃气锅炉供热产生烟气的值比燃煤锅炉小，更加节能。

【相关文献】
[1]闻雪平.理论在燃煤电站锅炉经济环保性能综合评价中的应用研究[D].上海电力学院，2013.
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[3]董厚忱.分析与锅炉设计[J].动力工程，2008，1.
[4]敖永安，Marc A Rosen.用值来综合评估燃煤锅炉排放烟气污染程度的可行性[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2006，3.
[5]锅炉房实用设计手册编写组.锅炉房实用设计手册（第二版）[M].机械工业出版社，2001.
[6]赵冠春，钱立伦.分析及其应用[M].北京：高等教育出版社，1984.
[7]朱明善.能量系统的分析[M].北京：清华大学出版社，1988.。